智能化技术在农业机械工程自动化中的应用

张学勇

（德州市农业机械服务中心，山东 德州 253000）

机械工程的自动化设计是一个多方面设计问题，在运行中，以控制系统、计算机技术、系统工程为核心，实现了对机械工程的全面控制。因此，在机械工程的自动化运作中，必须有一套强有力的理论与实践系统来支持，以充分发挥其优越性，提高设备的质量与效益，节约人力物力[1]。因此，在信息化大环境下，机械工程在进行大规模变革时，一定要把自动化技术作为重点，从机器设备到人员，要努力实现自动化，以达到更好的经济效益。但是，我国机械自动化体系还存在许多不足之处，因此，为了使我国机械事业能够更长远地发展，为了适应我国机械行业发展需求，必须根据我国实际情况构建机械工程自动化管理体系。当前，我国工业、农业等领域已逐渐实现了机械化，改变了传统的作业模式[2]。农业是国家发展的基础，传统的农业生产主要依靠人力，而且劳动强度大，效率低下。科学技术的快速发展促进了农业机械的自动化，农业机械化极大地提高了生产效率，降低了劳动强度，推动了农业的转型升级。基于此，笔者就智能化技术在农业机械工程自动化中的应用展开研究。

我国的农业机械化发展已普遍采用了自动化技术，使其工作状态更为平稳，工作时无需手动，延长了机器的使用寿命，降低了农民劳动强度，提高了农业生产效率和经济效益[3]。

1.1 施肥、灌溉自动化

近年来，随着我国农业机械装备的广泛使用，智能化技术逐渐向农业领域渗透。智能农业就是农业先进设施与露地相配套、具有高度的技术规范和高效益的集约化规模经营的生产方式[4]。随着自动化和智能化技术的应用，农业灌溉、施肥的自动化和智能化程度越来越高，智能化技术既能有效地实现节水灌溉，又能有效地防止水资源浪费，提高了灌溉效益。灌溉、施肥是农业生产的关键，对农作物的生长有直接的影响。将自动化、智能化技术应用到农业灌溉、施肥中，可以使灌溉用水得到合理利用，又可以运用智能化技术实现灌溉与施肥的有机统一，为了达到上述目的，广大科研人员采用了基于PLC控制技术，该技术选用nTouch触摸屏为人机界面进行灌溉、施肥的自动化。通过nTouch触摸屏的自动化检测技术，充分利用Windows的图形编辑功能构成灌溉、施肥监控画面，以动画方式直观显示灌溉、施肥全过程。

1.2 光照调节自动化

在农业生产中，不同的作物对光照的要求是不同的，所以，必须针对不同作物的生长环境进行管理。比如，由于某些植物对生长周期和环境的需求不同，在温室内栽培时要根据生长需求调节光照，以保证适宜生长。若按常规的温室栽培技术调整栽培环境，不仅操作困难，而且需要大量的人力物力[5]。因此，就可以利用光敏元件来感应光线的信息，光敏元件是一种随外界光辐射变化而发生改变的敏感元件，其工作原理是光电二极管，利用半导体的光敏特性制造光接受器件。当光强度增加时，半导体PN结构两侧区域因本征激发产生了少数载流。如果二极管反偏，那么反向电流也随之增大。为此，随着光电二极管反向电流增加，光照强度也随之增加。如果入射光线十分微弱，那么普通光电管产生的光电流也十分小，容易出现漏测问题。针对该情况，使用光电倍增管对电流进行放大处理，获取强大光电流。在农业生产过程中，需要在作物生长的各个时期设置不同的光敏元件，利用光敏元件来调整光线的变化，自动调整光线的环境。通过在大棚内设置光敏元件，可使大棚根据检测到的实时光照强度进行自动光照调节。

1.3 机械除草自动化

自动化机械除草机包括主控制单元、驱动单元和测试单元，其中控制单元负责实现对机器的控制。它的作用是实现机床与工作地点之间的自动控制与协同操作。该系统主要由电机控制装置、电机电流控制装置、刮刀控制装置构成，其主要作用是完成自动旋转作业点，设置作业参数等。通常在控制装置的电机控制装置中增加一个电-液结合装置，通过电-液接触器来进行电源开关控制。此外，该系统还包括电机速度传感器、驱动器速度传感器、磁力传感器、位置传感器等，它的主要功能是把所测到的数据输入控制装置中，然后对每个输入数据进行相应的编码[6]。控制信号由变频器输入到继电器组件中，它的主要作用是对除草机马达的旋转进行控制。传动装置是机械与刀片之间的一个重要环节，它是保证机器正常运转、提高生产效率的关键。传动装置的质量对机械的工作效率有很大的影响，针对农业生产中的作物种类，结合农机除草技术，研制了一种特殊的机械除草设备，其中机械除草有手工机械除草和自动机械除草两种。自动机械除草是由计算机控制自动转动的机械除草机转动，带动机械叶片工作，利用机械叶片的力量碾碎或粉碎杂草，用铲子刮除杂草。同时，自动旋转式除草器可在很短的时间内将杂草从堆场中清除。

高速智能分拣远程控制系统是一种分布式的监控网络，它主要包括两个模块：远程数据中心分析模块和本地控制模块；
按照功能逻辑可分为远程数据处理、本地分拣系统两个模块。

2.1 远程数据处理

在农业机械工程自动化应用过程中，由于机械设备使用过程中会产生大量数据，因此必须采用智能化算法来对其进行分析、处理，并利用数据挖掘方法发现数据之间的关联性，从而构建出一个经验数据库。当经验数据库规模足够大时，可将该经验数据直接应用于同类新产品的自动化生产，因此，需要远程数据处理[7]。

基于大数据挖掘的农业机械工程自动化数据智能处理步骤，在对农业机械产品生产过程数据进行分析时，利用智能挖掘算法，可以合理地确定权重和可信度。对于故障问题结合聚类中心进行故障类型判断，首先选择a个生产数据，根据特定的规则，对需要进行分类的数据进行聚类。

利用大数据挖掘算法和聚类分析方法，能够快速地判断出分拣自动化系统的工作状态，从而判断出分拣自动化系统部件的失效类型。大数据存储技术能够将不同传感器收集到的数据进行存储，并通过聚类算法进行数据挖掘。若在自动化分拣工艺中判断出存在失效状况，则该智能决策系统能够调节分拣自动化系统的工作状态；
在自动化分拣过程中，若有必要进行全过程的调整，则可以在适当的时间内暂时停机，以确保自动化分拣的质量[8]。

2.2 本地分拣系统

远程数据处理主要是将检测到的农作物品质参数进行实时存储，并通过运行服务器实现对分类数据的快速处理，在此基础上实现对模型动态建模，并对用户的控制行为进行实时监测。将互联网与PLC分拣系统、农作物参数检测单元（例如糖含量检测单元、品质检测单元）相结合，对农作物参数和远程分级模式进行对比，根据预先设定的等级分类，将分类结果传送至本地分拣系统[9]。

在本地分拣系统中，通过对参数的远程分析[10]，由伺服控制系统来驱动分拣机构进行分类。将被分拣的作物样本经传送设备依次传送至糖含量、品质等检测单元，并将样本的数据经网络传送至远程监控中心进行比对、分类；
同时，通过实时调节传送速率和控制逻辑，使要分种的作物及时准确地分布到各个生产环节。可根据产地、成本、农作物品种，选用适当的运输方式。比如，可以将农作物糖含量和品质归类。因为大多数作物的红外线探测都比较薄，所以可以根据现场情况，采用横向循环或单向带状逆向输送，从而达到更好的控制效果。基于这一思想，可以将农作物的自动进给和包装机构延伸到多个阶段。

3.1 实验概况

针对我国的节水灌溉工程，目前主要以喷灌、滴灌为主，而在稻田灌溉中，则多使用改进型的电磁阀或蝶阀控制的开沟式灌溉。在农业中节水灌溉技术是一项关键技术，节水灌溉是以作物的生长需要为基础，对灌溉用水进行调控。

利用液位传感器对田间水位进行监测，并依据水稻生长周期的需要，实现对水稻的智能化灌溉作业。液位传感器是一套由多个传感器构成的系统，通过分析所收集到的数据，并将其实时反馈至数据处理中心，从而达到对水稻水层的监测与控制。

3.2 灌溉面积实验分析

以灌溉面积为实验对象，采用人工灌溉和智能化技术对比分析灌溉面积，在长为80 m，宽为45 m的水稻田内，采用人工灌溉方法的灌溉面积不规整，且灌溉不全面，出现了灌溉不均匀等问题；
采用智能化技术对灌溉面积规整后，灌溉面积可达到98%。

3.3 灌溉水位实验分析

假设水稻田内都被水灌溉，以灌溉水位为实验对象，采用人工灌溉和智能化技术对比分析灌溉水位。使用人工灌溉技术时的水位与理想数值只有在灌溉面积为2 250 m2时一致，其余均不一致；
使用智能化技术在所有灌溉面积下水位与理想数值均一致，由此可知，使用智能化技术具有精准灌溉效果。

综上所述，经济的发展推动了智能技术的进步，人们对农业生产的要求越来越高，推动了农业机械自动化水平的不断提升。实践证明，通过提升机械自动化水平，能够改善农业的生产条件，促进农业的可持续发展。智能化技术的应用推进了农业机械工程自动化进程，提高了农业生产工作效率，保障了农业生产安全性，极大地降低了农民劳动强度，增加了农民收益，助力农业农村现代化。

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